Electromagnet

เรื่อง   แม่เหล็กไฟฟ้า

    กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านเส้นลวดจะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กรอบๆเส้นลวด  
ลักษณะของสนามแม่เหล็กขึ้นอยู่กับรูปร่างของเส้นลวดและกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน 
สนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นนี้ เขียนได้โดยวิธีเดียวกับสนามแม่เหล็กจาก แม่เหล็กถาวร  
ผลที่เกิดขึ้นเรียกว่า  แม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งใช้สร้างแม่เหล็กที่มีกำลังสูงและใช้สำหรับ
ทำให้เกิดการเคลื่อนที่โดยกระแสไฟฟ้า

                                                         
    

กฏว่ายน้ำของแอมแปร์  กล่าวว่า  ขั้วเหนือของเข็มทิศซึ่งวางอยู่ใกล้เส้นลวดที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านจะเบนไปทามือซ้าย ของคนที่ว่ายน้ำไปในทิศทางที่กระแสไหล  โดยหันหน้าเข้าหาเส้นลวด

                                               

    

       ขดลวด (Coil)  หมายถึง  ขดลวดหลายๆขดที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน  ทำได้โดยใช้เส้นลวดพันรอบวัตถุที่เป็นแกน  ตัวอย่างเช่น ขดลวดแบนและโซลินอยด์
       ขดลวดแบน  (Flat  coil  or  plane coil)  เป็นขดลวดที่มีความยาวน้อยเมื่อเทียบกับเส้นผ่านศูนย์กลาง
       โซลินอยด์ (Solenoid)  เป็นขดลวดที่มีความยาวมากเมื่อเทียบกับเส้นผ่านศูย์กลางสนามแม่เหล็กที่เกิดจากโซลินอยด์คล้ายกับแท่งแม่เหล็ก  ตำแหน่งของขั้วขึ้นอยู่กับทิศของกระแสไฟฟ้า
       แกน (Core)  เป็นวัตถุที่ใช้เป็นแกนของขดลวดเป็นสิ่งบอกความเข้มสนามแม่เหล็ก  
สารแม่เหล็กชั่วคราว  หรือเหล็กอ่อนทำให้เกิดสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงและนิยมใช้ทำแม่เหล็กไฟฟ้า


    
    
 กฏสกรูของแมกซ์เวลล์  กล่าวว่า ทิศของสนามแม่เหล็กรอบๆ  เส้นลวดที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านจะอยู่ในทิศสกรูหมุน  เมื่อขันสกรูเข้าไปตามทิศของกระแสไฟฟ้า


         

     กฏมือขวา (Right-hand grip rule)  กล่าวว่า ทิศของสนามแม่เหล็กรอบเส้นลวดอยู่ในแนวนิ้วมือขวาที่กำรอบเส้นลวด  โดยที่นิ้วหัวแม่มือชี้ไปตามทิศของกระแสในเส้นลวด


                     

สนามแม่เหล็ก เรื่องเล็กนิดเดียว

      

แม่เหล็กทุกชนิดมีสนามแม่เหล็ก  รอบๆแท่ง  และมีแรงแม่เหล็ก กระทำกันระหว่างแม่เหล็ก 2 แท่ง  เนื่องจากแรงปฏิกิริยาภายในสนามแม่เหล็ก วัตถุใดๆที่ถูกทำให้เป็นแม่เหล็กได้  ก็จะกลายเป็นแม่เหล็ก  และจะกลายเป็นแม่เหล็กเมื่อวางไว้ในสนามแม่เหล็ก  การเคลื่อนที่ของประจุ  (ปกติคืออิเล็กตรอน)  ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กเช่นเดียวกัน

Pole :  ขั้วแม่เหล็ก

      เป็นจุดบนแท่งแม่เหล็กซึ่งแรงแม่เหล็กจะปรากฏอย่างเข้ม ที่นั่น แม่เหล็กมี  2 ขั้ว  ขั้วเหนือและขั้วใต้  (ระบุได้โดยให้แท่งแม่เหล็กวางตัวในสนามแม่เหล็กโลก)  แท่งแม่เหล็กทั้งหมดมีขั้วแต่ละชนิดเท่ากัน  กฎข้อแรกของแม่เหล็กกล่าวว่า  ขั้วต่างกันดูดกัน และขั้วเหมือนกันผลักกัน

Ferromagnetic :  สารแม่เหล็ก

      หมายถึง  วัตถุที่เป็นแม่เหล็กอย่างแรง (ทำให้เป็นแม่เหล็กได้ง่าย )  ได้แก่  เหล็ก  นิเกิล  โคบอลต์ และ สารประกอบของโลหะเหล่านี้  แบ่งเป็นสารแม่เหล็กถาวร  และสารแม่เหล็กชั่วคราว  แม่เหล็กผสมทำด้วยสารแม่เหล็กหลายชนิดดังกล่าว  ทำให้เป็นของแข็งด้วยความร้อนและความกดดัน  สามารถทำให้เป็นแม่เหล็กถาวรมากขึ้น  หรือเป็นสารแม่เหล็กชั่วคราวมากขึ้น  โดยการเปลี่ยนส่วนผสมเป็นของสารที่ใช้

Hard: สารแม่เหล็กถาวร

     เป็นสารแม่เหล็กที่ไม่เสียอำนาจแม่เหล็กง่ายหลังจากถูกทำให้เป็นแม่เหล็กถาวรแล้ว   เช่น เหล็กกล้า  แม่เหล็กที่ทำด้วยสารเหล่านี้เรียกว่า  แม่เหล็กถาวร

Soft :  สารแม่เหล็กชั่วคราว

     เป็นสารแม่เหล็กที่ไม่สามารถรักษาอำนาจแม่เหล็กได้นานหลังจากถูกทำให้เป็นแม่เหล็กแล้ว  เช่น เหล็กธรรมดา  แม่เหล็กที่ทำด้วยสารแม่เหล็กประเภทนี้เรียกว่า  แม่เหล็กชั่วคราว  สภาพแม่เหล็กที่หลงเหลือในสารแม่เหล็กชั่วคราวเรียกว่า  แม่เหล็กตกค้าง

  สนามแม่เหล็ก   คือ ปริมาณที่บ่งบอกแรงกระทำบนประจุที่กำลังเคลื่อนที่ สนามแม่เหล็กเป็นสนามเวกเตอร์และทิศของสนามแม่เหล็ก ณ ตำแน่งใดๆ คือทิศที่เข็มของเข็มทิศวางตัวอย่างสมดุล

        สนามแม่เหล็กนั้นถูกนิยามขึ้นตามแรงที่มันกระทำ เช่นเดียวกับในกรณีของสนามไฟฟ้า ในระบบหน่วย SI 

แรงดังกล่าวนี้คือ

                     

         เมื่อ

F คือแรงที่เกิดขึ้น วัดในหน่วย นิวตัน

q คือประจุไฟฟ้า วัดในหน่วย คูลอมบ์

v คือความเร็วของประจุไฟฟ้า วัดในหน่วย เมตรต่อวินาที

B คือความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก วัดในหน่วย เทสลา

เส้นแรงแม่เหล็ก

เส้นแรงแม่เหล็กวิ่งออกจากขั้วเหนือของแม่เหล็กและโค้งเข้าไปยังขั้วใต้

ด้วยนิยามอย่างเป็นทางการแล้ว เส้นแรงแม่เหล็กไม่

ได้เป็นปริมาณเวกเตอร์ แต่เป็นเวกเตอร์เสมือน 

เท่านั้น แม้ว่าภาพต่างๆ มักจะแสดงเส้นแรงแม่เหล็กด้วยลูกศร แต่เราไม่สามารถแปลความหมายลูกศรนั้นเป็นการเคลื่อนที่หรือการไหลของเส้นสนาม

ความสับสนในการเรียกชื่อขั้วแม่เหล็ก

สิ่งสำคัญที่ควรจำคือ ป้ายขั้วเหนือใต้บนเข็มทิศนั้นเรียกสลับกับขั้วเหนือใต้ของแกนโลก

ถ้าเรามีแม่เหล็กสองอันที่มีป้ายบอกขั้ว ก็ไม่ยากที่จะมองเห็นว่าขั้วเหมือนกันจะผลักกันและขั้วต่างกันดูดกัน แต่การมองแบบนี้ใช้ไม่ได้กับเข็มทิศทั่วไป เพราะสำหรับเข็มทิศแล้ว ด้านที่บอกว่าเหนือชี้ไปทางทิศเหนือไม่ใช่ทิศใต้

เรานิยมเรียกชื่อขั้วของก้อนแม่เหล็กตามทิศที่มันชี้ไป ดังนั้นเราจึงสามารถเรียกขั้วเหนือของแม่เหล็กได้อีกอย่างหนึ่งว่า ขั้วที่ชี้ไปทางเหนือ

ความเร่ง เร่ง เร่งงงงง.....

ความเร่ง

ความเร่ง คือ ความเร็วที่เปลี่ยนไปในหนึ่งหน่วยเวลา หรืออัตราการเปลี่ยนแปลงความเร็ว
เป็นปริมาณ เวคเตอร์

หรือ
 
เราสามารถหาค่าของ ความเร่งได้จาก ความชัน (slope) 

ถ้าข้อมูลให้เป็นกราฟ ความเร็ว กับ เวลา (V-t)

ความเร่งขณะหนึ่ง คือ ความเร่งในช่วงเวลาสั้น ๆ ในกรณีที่เราหาความเร่ง เมื่อ t เข้าใกล้ศูนย์ ความเร่งขณะนั้นเราเรียกว่าความเร่งขณะหนึ่ง
ถ้าข้อมูลเป็นกราฟ หาได้จาก slope ของเส้นสัมผัส

ความเร่งเฉลี่ย คือ อัตราส่วนระหว่างความเร็วที่เปลี่ยนไปทั้งหมด
กับช่วงเวลาที่เปลี่ยนความเร็วนั้น

กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความเร่ง(a) กับเวลา(t)

ข้อสังเกต
1. วัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร่ง วัตถุจะเคลื่อนที่เร็วขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป

2. วัตถุเคลื่อนที่ด้วยความหน่วง วัตถุเคลื่อนที่ช้าลงเมื่อเวลาผ่านไป

3. วัตถุเคลื่อนที่ความเร็วคงที่ วัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัวตลอดการเคลื่อนที่

การนำเอาความเร่งมาประยุกต์ใช้

จรวด (Rocket)เมื่อพูดถึงจรวด เราหมายถึงอุปกรณ์สำหรับสร้างแรงขับดันเท่านั้น หน้าที่ของจรวดคือ การนำยานอวกาศ ดาวเทียม หรืออุปกรณ์ประเภทอื่นขึ้นสู่อวกาศ แรงโน้มถ่วง (Gr vity) ของโลก ณ พื้นผิวโลกมีความเร่งเท่ากับ 9.8 เมตร/วินาที 2 ดังนั้นจรวดจะต้องมีแรงขับเคลื่อนสูงมาก เพื่อเอาชนะแรงโน้มถ่วงของโลก

จรวดทำงานตามกฎของนิวตัน ข้อที่ 3 “แรงกริยา = แรงปฏิกิริยา” จรวดปล่อยก๊าซร้อนออกทางท่อท้าย (แรงกริยา) ทำให้จรวดเคลื่อนที่ไปข้างหน้า (แรงปฏิกิริยา) 

ภาพที่ 2 จรวดอารีอาน นำดาวเทียมไทยคมขึ้นสู่วงโคจร



จรวดหลายตอน
          การนำจรวดขึ้นสู่อวกาศนั้นจะต้องทำการเผาไหม้เชื้อเพลิงจำนวนมาก เพื่อให้เกิดความเร่งมากกว่า 9.8 เมตร/วินาที2 หลายเท่า ดังนั้นจึงมีการออกแบบถังเชื้อเพลิงเป็นตอนๆ เราเรียกจรวดประเภทนี้ว่า“จรวดหลายตอน” (Multistage rocket) เมื่อเชื้อเพลิงตอนใดหมด ก็จะปลดตอนนั้นทิ้ง เพื่อเพิ่มแรงขับดัน (Force) โดยการลดมวล (mass) เพื่อให้จรวดมีความเร่งมากขึ้น (กฎของนิวตัน ข้อที่ 2: ความเร่ง = แรง / มวล)

 พลังงานน้ำ  ต้นกำเนิดจาก  พลังงานแสงอาทิตย์ทำให้น้ำบนพื้นโลกระเหยและรอยตัวขึ้นสูง   เมื่อไอน้ำในบรรยากาศกลั่นตัวเป็นฝน   ความเร่งเนื่องจากแรงดึงดูดของโลกทำให้ไหลลงสู่ที่ต่ำ   พลังงานน้ำจึงเกิดจากพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานศักย์จากความเร่งเนื่องจากแรงดึงดูดของโลกการนำเอาพลังงานน้ำมาใช้ประโยชน์ทำได้โดยให้น้ำไหลจากที่สูงลงสู่ที่ต่ำ   พลังงานศักย์ของน้ำถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์   อุปกรณ์ที่ใช้ในการเปลี่ยนนี้คือ   กังหันน้ำ  (Turbines))   น้ำที่มีความเร็วสูงจะผ่านเข้าท่อแล้วให้พลังงานจลน์แก้กังหันน้ำ   ซึ่งหมุนขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า   กังหันน้ำจะแบ่งเป็นประเภทใหญ่ ได้  2  ประเภท  คือกังหันน้ำประเภทหัวฉีด  (Impulse   turbines)   และกังหันน้ำประเภทอาศัยแรงปฏิกิริยา  (Reaction   turbines)กังหันน้ำประเภทหัวฉีดเป็นแบบหมุนได้ด้วยแรงกระแทกจากน้ำที่พุ่งออกมาจากหัวฉีด   เช่นกังหันน้ำเพลตัน กังหันน้ำประเภทอาศัยแรงปฏิกิริยาเป็นแบบที่ทำงานโดยอาศัยแรงดันของน้ำ   ตัวกังหันทั้งหมดจมอยู่ในท่อ   เช่นกังหันน้ำในฟรานซิส (Francis  turbines)  กังหันน้ำแคเปลน (Kaplan  turbines)  ในปัจจุบันพลังงานที่ได้จากแหล่งน้ำที่รู้จักกันโดยทั่วไปคือ  พลังงานน้ำตก   พลังงานน้ำขึ้นน้ำลง   พลังงานคลื่น   และพลังงานกระแสน้ำ

1.  พลังงานน้ำตก  

 การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานน้ำนี้ทำได้โดยอาศัยพลังงานของน้ำตก  ออกจากน้ำตามธรรมชาติ หรือน้ำตกที่เกิดจากการดัดแปลงสภาพธรรมชาติ  เช่น  น้ำตกที่เกิดจากการสร้างเขื่อนกั้นน้ำ  น้ำตกจากทะเลสาบบนเทือกเขาสู่หุบเขา   กระแสน้ำในแม่น้ำไหลตกหน้าผา   เป็นต้น   การสร้างเขื่อนกั้นน้ำและให้น้ำตกไหลผ่านกังหันน้ำซึ่งติดอยู่บนเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากำลังงานน้ำที่ได้จะขึ้นอยู่กับความสูงของน้ำและอัตราการไหลของน้ำที่ปล่อยลงมา  ดังนั้นการผลิตพลังงานจากพลังงานนี้จำเป็นต้องมีบริเวณที่เหมาะสมและการสร้างเขื่อนนั้นจะต้องลงทุนอย่างมาก   แต่อย่างไรก็ตามจากการสำรวจคาดว่าทั่วโลกสามารถผลิตกำลังไฟฟ้าจากกำลังน้ำมากกว่าพลังงานทดแทนประเภทอื่น  

2.  พลังงานน้ำขึ้นน้ำลง   

มีพื้นฐานมาจากพลังงานศักย์และพลังงานจลน์ของระบบที่ประกอบด้วยดวงอาทิตย์   โลก  และดวงจันทร์   จึงจัดเป็นแหล่งพลังงานประเภทใช้แล้วไม่หมดไป สำหรับในการเปลี่ยนพลังงานน้ำขึ้นน้ำลงให้เป็นพลังงานไฟฟ้า  คือ  เลือกแม่น้ำหรืออ่าวที่มีพื้นที่เก็บน้ำได้มากและพิสัยของน้ำขึ้นน้ำลงมีค่าสูงแล้วสร้างเขื่อนที่ปากแม่น้ำหรือปากอ่าว  เพื่อให้เกิดเป็นอ่างเก็บน้ำขึ้นมา  เมื่อน้ำขึ้นจะไหลเข้าสู่อ่างเก็บน้ำ  และเมื่อน้ำลงน้ำจะไหลออกจากอ่างเก็บน้ำ   การไหลเข้าออกจากอ่างของน้ำต้องควบคุมให้ไหลผ่านกังหันน้ำที่ต่อเชื่อมกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า  เมื่อกังหันน้ำหมุนก็จะได้ไฟฟ้าออกมาใช้งานหลักการผลิตไฟฟ้าจากน้ำขึ้นน้ำลงมีหลักการเช่นเดียวกับการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานน้ำตก  แต่กำลังที่ได้จากพลังงานน้ำขึ้นน้ำลงจะไม่ค่อยสม่ำเสมอเปลี่ยนแปลงไปมากในช่วงขึ้นลงของน้ำ   แต่อาจจัดให้มีพื้นที่กักน้ำเป็นสองบริเวณหรือบริเวณพื้นที่เดียว   โดยการจัดระบบการไหลของน้ำระหว่างบริเวณบ่อสูงและบ่อต่ำ  และกักบริเวณภายนอกในช่วงที่มีการขึ้นลงของน้ำอย่างเหมาะสม  จะทำให้กำลังงานพลังงานน้ำขึ้นน้ำลงสม่ำเสมอดีขึ้น